王振聲，陳朋超，王禹欽

中國石油天然氣股份有限公司管道分公司，河北廊坊 065000

管道完整性管理是為應對管道事故、減少管道缺陷、提高管道管理水平的要求不斷發(fā)展和完善形成的管理模式[1]。從20世紀90年代開始，管道完整性管理的思想得以孕育和發(fā)展。一些歐美管道公司開始探索系統(tǒng)地進行檢測評價與維護工作，逐漸形成了一套較為完整的管道完整性管理體系，共包括數(shù)據(jù)收集、高后果區(qū)識別、風險評價、完整性評價、維修與維護、效能評價等六個步驟[2]，形成了一個動態(tài)循環(huán)過程，并在實施過程中不斷完善。以2001年API 1160《危險液體管道完整性管理系統(tǒng)》和ASME B 31.8S《天然氣管道系統(tǒng)完整性管理》頒布為標志，明確了完整性管理在管道安全管理中的重要地位和實施要求。2003年前后，完整性管理理念開始在我國傳播并引起了我國油氣管道管理方式的變革，中國石油管道公司率先制定發(fā)布了油氣管道完整性管理的國家標準，也牽頭制定并于2019年5月發(fā)布了2項管道完整性規(guī)范的國際標準。綜合保障管道安全及運營成本等各種因素，管道完整性管理建立了基于風險預控的事故超前預防型管理思想，是目前油氣管道安全管理的最高進階等級。

為了做好管道完整性管理，需要對其中最核心的油氣管道和設施的完整性檢測、評價及修復技術進行深入的研究，本文對內、外檢測技術與水壓試驗，體積型和平面型裂紋缺陷的檢測與評價以及修復和緩解等技術研究新進展進行了總結，以期為國內管道完整性管理下一步深化和完善方向提供參考和借鑒。

1 內、外檢測與水壓試驗

1.1 內、外檢測技術

內檢測技術是指依靠管道輸送介質的壓力，推動漏磁 (MFL）、超聲波（UT）、電磁超聲（EMAT）等智能檢測器的運行，探測和測量油氣管道上異常及缺陷的常用技術。外檢測技術是指使用包括超聲測厚儀、超聲相控陣（PA）和超聲波衍射時差（TOFD）等無損檢測設備對管道進行無損探傷，確定缺陷尺寸、位置或形貌等特征的技術。一個完整的檢測、評價與修復流程，包括內檢測完成后，分析內檢測數(shù)據(jù)，對疑似缺陷進行嚴重程度分級，制定現(xiàn)場需要開挖驗證的位置和數(shù)量，進一步開展外檢測，驗證疑似缺陷的嚴重程度，并開展下一步的修復工作。內、外檢測結果之間的關系，對于準確估算管道缺陷數(shù)量和尺寸是非常重要的因素。然而，內檢測和無損檢測的讀數(shù)都會因為測量誤差而不準。這些誤差通常來源于檢測工具內在的局限性和能力、測量技術和人為因素。

Abdolrazaghi等人[3]基于線性回歸和極大似然法，來確定內檢測和無損檢測測量誤差的不確定性，提出的標定原理通過內檢測結果得到了驗證。Ellinger等人[4]通過對比分析6年間收集的3 000多對內、外檢測數(shù)據(jù)，得出了軸向漏磁和超聲測壁厚等內檢測器測量精度的變化及適用缺陷等結論，給出了開挖驗證、失效壓力計算和精度提高等方面建議。Moreno等人[5]開展了多次內檢測結果的對比分析，得到了內檢測結果可重復性的影響因素，并給出了關于內檢測器選用和金屬損失識別方法建議。Tehsin等人[6]進行了電磁超聲檢測器和超聲裂紋探測檢測器在探測、識別和定量精度方面的概率性評價研究，用于管控應力腐蝕開裂（SCC）對管道的威脅。Mihell等人[7]研究了體積型缺陷內檢測數(shù)據(jù)基于概率的判斷準則，推導出計算其失效概率的方法。

1.2 水壓試驗

水壓試驗作為完整性管理程序的一部分是一種破壞性的測試，但設計和實施水壓試驗是管道投產運行前的關鍵步驟，能夠有效排除強度不合格的鋼管，并發(fā)現(xiàn)部分缺陷。Rau等人[8]研究了水壓試驗與內檢測的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢，介紹了水壓試驗的優(yōu)點，其與現(xiàn)有的內檢測技術互為補充。Keane等人[9]提出了一種風險平衡設計的水壓試驗，在一個閃光焊的直焊縫老管道上，示范了水壓試驗設計方法的案例研究。Hilger等人[10]從管道運營商的視角分析了水壓試驗的局限性和可能的有害影響等，研發(fā)以風險平衡為目標的水壓試驗程序。Olson等人[11]開展改進水壓試驗協(xié)議的研究，采用并改進了已有的缺陷失效和增長模型，基于坍塌和斷裂理論，來預測缺陷形狀的變化行為，建立了壓力-時間序列，并通過缺陷形狀隨時間增長的方程評估了其敏感性。

1.3 新型檢測技術的探索

Asher等人[12]研發(fā)了一種新的內檢測傳感器技術，即基于電磁渦流（MEC）和多差動渦流的電磁渦流內檢測器。這種新技術為探測小體積缺陷特征、檢測厚壁天然氣管道以及檢測耐蝕合金管道和非金屬管道提供了可能。進行了80多次牽引試驗，以確定該檢測器的檢測能力和速度敏感性，即使非常?。ǎ?0 mm）的針孔型特征的缺陷都被傳感器檢測到，檢測速度達到0.75 m/s時也能保證檢測性能，檢測能力超出預期。

太平洋天然氣與電力公司（PG&E） 在舊金山半島經營多條輸氣管道，其中很大一部分低壓運行，難以使用傳統(tǒng)內檢測技術對該管道進行檢測，Liddicoat等人[13]使用非傳統(tǒng)的自動力機器人在線檢測技術對位于舊金山國際機場和舊金山中心地區(qū)之間，人口高度密集的城市區(qū)域內的大量套管管道進行了檢測，能夠代替外腐蝕直接評價（ECDA）和內檢測技術，實現(xiàn)對套管內的管道進行檢測。

逆波外推（IWEX）的超聲成像是一種新興的無損檢測技術，用于管道異常的辨別和尺寸分級。Haines等人[14]研究了采用超聲成像技術識別和分級電阻焊管直焊縫上的缺陷以及管道本體的應力腐蝕裂紋（SCC），探討了IWEX技術的發(fā)展，與目前最先進的技術如超聲相控陣（PA）和超聲波衍射時差（TOFD） 相比較，IWEX能夠識別冷焊縫、表面開口鉤狀裂紋、非表面開口的向上纖維狀物、不均勻的縱剪、偏置板邊和疲勞裂紋等異常。

Krissa等人[15]研究了一種適用于多管道管廊的內檢測技術，通過在內檢測器上搭載陰極保護電流在線測量傳感器以達到對陰極保護性能進行檢測和評價的目的，針對性和抗干擾性強，可提供更加準確和完整的數(shù)據(jù)。

Greig等人[16]研究了使用EMAT內檢測器識別管道修復涂層的方法，能識別各種涂層的類型和涂層狀況，也能識別出環(huán)焊縫區(qū)域現(xiàn)場敷設的涂層或連接處的涂層變化（如涂層修復），對于評價管道系統(tǒng)的涂層狀況具有成本優(yōu)勢。

Pargen等人[17]開發(fā)了一種新的傳感方法來測量管道的應變和振動，采用高度柔性的介電彈性體傳感器（DESs） 和新型聚脲涂層（智能涂層）的組合，當DESs沿著軸向安裝于管道外部時，對于平行于管道軸向的應變變化是敏感的，有助于探測到可能導致管道失效的位移或變形的發(fā)生。系統(tǒng)的應變靈敏度取決于電容測量精度，實驗階段的應變測量精度最低可達0.1%。

2 體積型缺陷檢測與評價

2.1 腐蝕

腐蝕依然是管道完整性的主要威脅之一。對于管道完整性管理決策來說，腐蝕生長速率是非常重要的指標。例如預測管道可靠性的時間函數(shù)、識別現(xiàn)場開挖和/或修復的時機、以及決策最優(yōu)的再檢測周期等，都要根據(jù)腐蝕速率來計算。采用錯誤的腐蝕生長率數(shù)據(jù)將導致時間、人力和資金等浪費在不必要的修復和/或檢測上，以及計劃外的管道停輸或天然氣放空。由于局部表現(xiàn)行為的特性差別及影響腐蝕反應的參數(shù)眾多，識別管道上腐蝕活躍位置及腐蝕生長速率是個復雜的過程。

Dawson等人[18]根據(jù)多次內檢測結果以及近年來油氣管道的實際情況，評估并改進了基于內檢測的腐蝕速率預測方法，從而給出更準確的管道完整性發(fā)展趨勢的預測結果、修復計劃表及再次檢測的周期。Smith等人[19]將10種腐蝕生長率的計算方法應用于3條進行過3次內檢測的陸上管道，識別出最優(yōu)腐蝕增長率的計算方法，以及適應不同需求（制定修復和再檢測計劃以及剩余壽命評估）的增長率計算方法。Al-amin等人[20]通過對比非線性和線性生長模型預測的腐蝕生長率，證明在完整性管理程序中使用非線性腐蝕生長率模型更準確、更適合。

某油氣田集輸中心的潮濕酸性高壓天然氣管道，兩年內因螺旋焊縫開裂發(fā)生了2起泄漏。Alsulaiman等人[21]通過失效調查發(fā)現(xiàn)主因是嚴重的內腐蝕，其他因素還包括局部應力、嚴重的酸性運行環(huán)境等，提出了更換無縫鋼管、升級腐蝕抑制系統(tǒng)，以及對集輸管道和下游運營管道都采用適合的清管器開展有效的清管等系列修復措施。

保溫管道常見的失效模式是外腐蝕，但當前可獲得的有關腐蝕評價方法可能并不適用高黏熱油管道。Cunha等人[22]對API 5L Gr B和X70兩種鋼級管道進行了有限元模擬，發(fā)現(xiàn)盡管熱影響導致了管道在彈性變形內產生大的壓縮軸向應力，但該應力在管道產生屈服變形階段就徹底得到釋放，未發(fā)現(xiàn)溫度對爆破壓力有何影響。

油氣管道內常包含固體微粒及微小附著水，受到流動條件的影響，這些顆?？赡軙街诠鼙谏?，并導致細菌生長和局部垢下腐蝕的產生。Garcia等人[23]提出了基于多變量評估垢下腐蝕威脅的關鍵技術指標，包括漏磁內檢測數(shù)據(jù)、油泥分析、流動條件及管道運營條件；也提供了與這些關鍵技術指標相關的緩解措施和再檢測周期的建議。

2.2 凹坑

當前管道凹坑的完整性管理，主要是通過對內檢測數(shù)據(jù)的解釋分析進行的；包括測徑、漏磁檢測（MFL）和超聲檢測 （UT）等檢測數(shù)據(jù)。如果凹坑的特征被認為是或類似于機械損傷造成的威脅，就需要開挖進行修復。識別由機械損傷造成的凹坑存在諸多挑戰(zhàn)，有必要將基于應變的評價和復雜形貌測繪技術等方法結合起來，加入機械損傷的管理策略中。

Torres等人[24]通過對機械損傷現(xiàn)場開挖的無損檢測和評價，研究和評判了漏磁與超聲測厚內檢測器在描述凹坑金屬損失的形貌和嚴重程度方面的效力。此外，評價了使用形狀復雜度指標來識別機械損傷方法的效力，引進了諸如距離相近的凹坑群和多銳角凹坑的概念。Fernandez等人[25]開展了管道受車輛或重物墜落沖擊影響的有限元仿真模型的試驗驗證研究，結果表明，挪威船級社（DNV）的凹坑評價模型在預測破裂能量時并非總是保守，而歐洲管道研究小組（EPRG）的機械損傷評價模型中關于齒型工具第三方損傷的破裂能量預測較為準確，卻未必適用于更長形的工具。朱先奎等人[26]采用彈塑性有限元模型來分析管道上由機械造成凹坑的嚴重性，通過廣泛的參數(shù)研究量化其損傷的影響，該模型成功應用于預測現(xiàn)代管線鋼在全尺寸疲勞試驗中的凹坑失效行為。Arumugam等人[27]采用有限元及全尺寸凹陷試驗的方法研究了管道機械損傷中的塑性應變極限損傷準則，建立了延性破壞損傷指標（DFDI）模型，量化累積的塑性應變損傷及其開裂敏感性，并輔以6個全尺寸凹陷試驗進行驗證，提出了平滑凹坑的簡化應變極限公式并進行了驗證。

識別與凹坑有關的金屬損失和溝槽，以及識別直焊縫附近腐蝕類型，是目前金屬損失缺陷的內檢測完整性評價中尚未逾越的兩道難關。Nestleroth等人[28]研究了區(qū)分含有金屬損失的凹坑及制管焊縫附近腐蝕的兩種新分類方法，前者采用一種強弱磁場強度相結合的手段連同一種信號分析的新方法，優(yōu)先識別出威脅最大的溝槽信號；后者使用軸向磁場信號以及螺旋磁場信號，優(yōu)先探測任何狹長的金屬損失。

同時包含凹坑和裂紋的缺陷（通常被稱作凹坑-裂紋缺陷），可能會導致管壁的撕裂或泄漏。Ghaednia等人[29]對直徑為30 in（1in=25.4 mm）、直徑厚度比為90的X70級鋼管，開展了全尺寸試驗和有限元分析，研究發(fā)現(xiàn)裂紋深度達到75%壁厚的凹坑-裂紋缺陷能降低管道的承壓能力達54%。

3 裂紋缺陷檢測與評價

3.1 裂紋擴展分析

一般來說，近中性pH值環(huán)境下95%以上的管道裂紋為無害，只有大約1%的裂紋會威脅到管線鋼的完整性。阿爾伯塔大學聯(lián)合多家加拿大管道運營企業(yè)開發(fā)出一個名為Pipe-Online的軟件[30]，用于預測在接近中性pH值環(huán)境下，承受應力腐蝕開裂和腐蝕疲勞管道的裂紋擴展及剩余服役壽命，預測結果與實際服役壽命相差無幾，而現(xiàn)有的其他方法則較為保守；對近中性pH值環(huán)境下應力腐蝕開裂的裂紋擴展機理的研究結果表明，只有當所有最惡劣的條件對裂紋產生和擴展產生影響時，在20～30年的管道使用壽命中，才可能發(fā)生因應力腐蝕開裂而導致的過早破裂。Zhao等人[31]將SCADA記錄的壓力波動數(shù)據(jù)輸入Pipe-Online，對各種壓力數(shù)據(jù)進行建模，記錄對裂紋擴展有貢獻的壓力波動事件捕獲的場景；提供壓力記錄數(shù)據(jù)的優(yōu)化方法，以預測裂紋擴展和剩余服役壽命預測。

Semiga等人[32]開展了天然氣管道疲勞評估，通過使用壓力的頻譜嚴重程度指標（SSI） 和疲勞易感性表格，來預測可能存在疲勞損傷累積風險的管段以及哪些條件下疲勞對于管段來說可以忽略不計。

環(huán)向開裂常發(fā)生在環(huán)向焊縫和/或局部應力應變集中的位置，一般是由于管道運動造成，絕大部分發(fā)生在山區(qū)。Brimacombe等[33]研究了環(huán)向裂紋探測存在的挑戰(zhàn)，通過內檢測查找環(huán)向開裂威脅，詳細分析了現(xiàn)場驗證結果和內檢測結果，給出解決方案。

當交變載荷作用于存在類裂紋缺陷的管道上時，遠高于最大運行壓力（MOP）的試驗壓力會引起缺陷尖端的塑性變形，疲勞裂紋擴展率大為延緩，管道壽命得以延長，此即疲勞遲滯效應。Anderson等人[34]用有限元方法模擬了水壓試驗對后續(xù)疲勞裂紋擴展的影響，量化疲勞遲滯在水壓試驗后的有益效果。

當兩條裂紋距離較近時可能會相互影響，即使壓力遠小于單個裂紋的失效壓力，管道也可能發(fā)生泄漏或撕裂?，F(xiàn)行的行業(yè)標準提供了可能相互影響的裂紋缺陷的指導準則，但在某些情況下過于保守。Scott[35]研究了裂紋的相互影響，對存在真實缺陷和模擬缺陷的管段開展水壓試驗。Li等人[36]對公開發(fā)布的標準中關于線性缺陷相互影響的規(guī)則和模型進行了總結，同時對識別未來潛在缺陷發(fā)展區(qū)域的研究進行了綜述。?

3.2 裂紋探測內檢測器的性能和驗證

目前管道裂紋檢測技術主要是超聲波(UT)和電磁超聲技術(EMAT)。因無需在管道內引入液體耦合劑，EMAT成為天然氣管道裂紋檢測的首選。Tomar等[37]介紹了EMAT內檢測技術對SCC進行檢測的性能評估分級的過程，建立分級規(guī)范中檢出率(POD)和識別率（POI）的目標值，評價了長度和深度的分級效果。Hryciuk等[38]應用水壓試驗和EMAT內檢測技術對天然氣管道SCC進行完整性管理，探討了EMAT內檢測器對SCC缺陷檢測和分級的能力，最后，利用API 579方法對SCC的嚴重程度進行了評價，并分析了利用該評價結果確定內檢測器能檢測到的SCC缺陷臨界尺寸的可行性。Torres等人[39]研究EMAT在檢測和表征液體管道裂紋相關特征能力方面的性能，并與現(xiàn)場無損檢測結果進行了比較，以評價EMAT的技術性能。Palmer等人[40]研究了基于重復EMAT內檢測來識別裂紋擴展萌生的方法，討論了對識別出的SCC的完整性管理的做法，并列舉了未來可能的改進措施。

內檢測結果所提供的信息可用于減少所需的開挖和/或延長再檢測的周期。如果缺陷長度低于內檢測器檢測的長度閾值，會被內檢測器忽略。Adianto等人[41]研究了內檢測性能精度的提升在檢測管道軸向裂紋和金屬損失腐蝕方面發(fā)揮的作用，更精確的測量結果能使管道可靠性評估更準確，Korol等人[42]研究一種獨特的超聲內檢測數(shù)據(jù)屬性的識別分析方法，以管理電阻焊管道上短的類裂紋缺陷的泄漏威脅，比傳統(tǒng)的內檢測分級方法識別出更嚴重的特征。Atto等人[43]研究了超聲裂紋內檢測對缺陷進行連續(xù)深度分級的方法，并與傳統(tǒng)的深度分級方法進行了比較；也討論了從檢測數(shù)據(jù)中提取裂紋深度剖面的方法，并給出了與現(xiàn)場驗證數(shù)據(jù)進行直接比較的例子。Mendoza等人[44]研究了剪切波超聲裂紋檢測器在檢測金屬損失相關裂紋時的性能，總結了利用剪切波超聲裂紋內檢測技術對腐蝕缺陷上裂紋進行管控的研究結果和啟示。

Chan等人[45]研究了如何使用多種內檢測技術改進管道完整性管理，發(fā)現(xiàn)使用具有硬點檢測能力的螺旋漏磁檢測，能檢測出不容易被超聲裂紋探測（USCD）及EMAT內檢測器探測到的變形的線性特征。?

3.3 應力腐蝕裂紋■

在高應力嚴重腐蝕環(huán)境的運行條件下，應力腐蝕裂紋（SCC）一般發(fā)生于鋼級易受影響的管道上。評價方法主要有應力腐蝕開裂直接評價（SCCDA） 和ASME 31.8S標準。在評價過程中，需根據(jù)現(xiàn)場開挖驗證結果來確認管道是否存在SCC，然后現(xiàn)行推薦做法及標準中都沒有涉及到開挖數(shù)量。Harper等人[46]研究了如何改進ASME B31.8S中關于SCC缺陷先后處理順序，采用統(tǒng)計學評價方法對數(shù)據(jù)進行評估，用邏輯回歸法識別了導致裂紋增加或減少的可能性的因素，繪制了存在SCC管道的易感位置。Alotaibi等人[47]研究了水壓試驗對于緩解含有SCC管道的好處，為每個管道建立一組生存概率矩陣，預測出水壓試驗中預期的失效數(shù)量和水壓試驗后剩余的缺陷群；比較內檢測和水壓試驗這兩種評價方法，制定長期減緩計劃。Desjardins等人[48]研究建立統(tǒng)計學上合理的、決定開挖數(shù)量的流程，用于驗證SCCDA方法的有效性以及確認管道是否存在應力腐蝕開裂。?

4 緩解與修復

在管道側彎處的回填土，受溫度循環(huán)變化的影響可能會積累位移，從而導致管道棘輪效應和可能的屈曲產生。Phillips等人[49]開展了因管道循環(huán)側向變形而導致回填土遷移的緩化研究，得到循環(huán)側向載荷作用下管道周圍的泥沙回填土的遷移過程；利用土工合成材料和可壓縮材料進行了幾種緩解技術的評估，以延緩和減少因管道位移循環(huán)而導致的土壤下降運動。

河流的沖刷可能導致河床和河岸遭受侵蝕，從而使得穿越管道或其他基礎設施承受諸如水壓、浮力、碎片撞擊或管道振動和疲勞等威脅。Salas等[50]研究應用河流修復和加強棲息地保護技術，替代傳統(tǒng)的混凝土或石材硬化技術保護暴露的管道，更具成本效益，當然也要取決于具體的現(xiàn)場環(huán)境，其中一個最關鍵的因素是暴露的管道相對于河流平灘高程的高度和走向。

機械損傷分為直接失效和延遲失效兩類。雖然預防措施有助于減少延遲失效的發(fā)生和直接失效的出現(xiàn)，但延遲失效主要通過內檢測和及時的補救措施來減輕。Ma等[51]提出了基于風險的機械損傷減輕措施，內檢測完成后，采用失效概率、基于凹坑深度和疲勞壽命超越概率（POE）函數(shù)的決策、以及連續(xù)挖掘決策等三種方法來決定哪些凹坑需要開挖。

壓力波動是鋼管發(fā)生裂紋擴展的一個驅動力，隨著相距泵站或壓氣站距離的不同，摩阻損失不同，從而在管道當中產生的壓力波動類型也不同。Tehinse等[52]研究采用一種新穎的序列載荷方法，控制接近中性pH值應力腐蝕開裂環(huán)境下的鋼管道裂紋在低荷載與過載時的擴展，應用壓力波動機理來管理鋼管道的完整性。

與傳統(tǒng)的金屬維修相比，利用專門的復合修復材料能夠對使用剛性金屬套管難以或不可能修復的受損傷管道和壓力容器進行補強，提高了對復雜形貌修復的能力同時減少了安裝時間；但應用在高溫、浸入式環(huán)境時，其設計和性能也受到更嚴格的審查。Sheets等[53-54]對復合修復材料開展了有限元分析及彎曲和壓縮的全尺寸高溫試驗研究，開發(fā)了一個修復系統(tǒng)排名競爭程序，提高了全尺寸試驗的效率，通過合理設計和安裝修復系統(tǒng)，能夠滿足高溫、惡劣服役條件的高強度要求。Alexander等[55]應用碳纖維復合材料對低頻電阻焊管直焊縫的平面缺陷進行補強，補強過的試樣在壓力循環(huán)壽命方面有所改善，并顯著增加了爆裂承壓能力，在高壓循環(huán)和爆破試驗過程中，裂紋既不成形也不擴散。Mally等[56]對非透壁外部缺陷復合材料修復長度進行了有限元分析和試驗驗證研究，對ASME PCC標準中要求的最小修復長度及較之短2 in的搭接長度進行了修復強度的比較。

5 結束語

管道完整性管理作為最先進的管道安全管理模式被世界各國的管道管理者所認可，并已逐漸成為世界各大管道公司普遍采取的管道安全管理模式。以完整性管理為核心的管道全過程安全風險預控管理新模式，摒棄了落后的事故追究型傳統(tǒng)型管理思想，建立基于風險預控的事故超前預防型管理思想。展望未來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術與管道行業(yè)的高度融合，將把管道完整性管理提升到一個智慧化管理的新階段，通過信息化手段大幅提升質量、進度、安全管控能力，實現(xiàn)管道的可視化、網(wǎng)絡化、智能化管理，為最終形成具有全面感知、自動預判、智能優(yōu)化、自我調節(jié)，且安全高效運行的智慧管網(wǎng)提供全方位技術支持。